真空爐隔熱屏保溫效果的數(shù)值仿真

王碩彬，叢培武，陸文林，杜春輝，陳旭陽

（北京機電研究所，北京 100083）

爐膽是真空爐的核心部件，整體處于真空爐爐膛內(nèi)，對于真空爐的整體性能有著很大的影響。真空爐的設(shè)計中，爐內(nèi)的溫度場是其最重要的設(shè)計指標之一[1]。計算機仿真模擬的發(fā)展為研究真空爐內(nèi)的溫度分布規(guī)律提供了新的研究方法，為指導(dǎo)工藝實踐和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的途徑。國內(nèi)的諸多學(xué)者利用有限元理論和軟件對真空爐的爐膽結(jié)構(gòu)和爐內(nèi)的溫度場進行了探索試驗。2016年，王昊杰等[2]基于有限元平臺對真空滲碳爐加熱室的溫度場進行模擬及預(yù)測，確定了石墨加熱管數(shù)量、加熱管外徑及整體輸出負荷對工件溫度均勻性及加熱效率的影響規(guī)律。2017年，雷金輝等[3]利用有限元算法對真空爐內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度場進行求解，得到溫度的因變量，并利用ANSYS軟件對穩(wěn)態(tài)溫度場進行仿真驗證。2020年，梁佰強等[4]建立一種高真空釬焊爐的三維瞬態(tài)非線性分析模型，利用有限元軟件的溫度場模擬得到爐內(nèi)溫度變化曲線，將溫度情況通過溫度云圖進行可視化分析。

掌握真空爐內(nèi)的溫度分布規(guī)律對于今后設(shè)計與優(yōu)化真空爐參數(shù)十分重要。本文應(yīng)用計算機技術(shù)，建立熱處理爐爐膽的三維輻射模型，對其穩(wěn)態(tài)保溫過程進行數(shù)值模擬，優(yōu)化模擬過程。并在此基礎(chǔ)上，研究隔熱屏厚度、發(fā)熱帶的分布和發(fā)熱帶寬度對爐膽保溫效果的影響。

1 真空傳熱分析

真空環(huán)境下的傳熱形式主要是熱輻射。真空爐抽真空之后加熱，發(fā)熱帶將電能轉(zhuǎn)化為熱能，提供給爐內(nèi)工作區(qū)。爐膽內(nèi)的金屬隔熱屏通過熱輻射減少熱量的散失，達到保溫的目的。真空熱處理爐內(nèi)的溫度場是一個復(fù)雜的非線性問題，在真空傳熱過程中所采用熱傳導(dǎo)方程表達式[5]為：

式中：T為溫度；t為進行的時間；p為材料密度；CP為比熱容；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)；q為內(nèi)熱源。在加熱過程中，如暫不考慮時間變量，問題就簡化為穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題。

輻射邊界條件的表達式為[6]：

式中：σ為斯芬克玻爾茲曼常數(shù)；ε為表面輻射效率；TΓ和T∞分別為輻射表面和該輻射面進行熱量交換的環(huán)境介質(zhì)溫度。

2 仿真建模

2.1 模型假設(shè)

真空爐的爐膽結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為了方便模擬計算，對其設(shè)置以下初始條件和假設(shè)：

1）研究對象為真空爐空載時的爐內(nèi)隔熱屏溫度場。真空環(huán)境中，忽略隔熱屏支撐直接的熱傳導(dǎo)，忽略隔熱層預(yù)留的熱變形間隙以及各種支撐、料臺和小孔，認為隔熱層是均勻封閉分布的。

2）設(shè)定工作時電熱元件的溫度為1000℃，環(huán)境溫度設(shè)置為22℃。

3）不考慮材料本身的影響，認為所有材料都是各向同性并且均勻的。

2.2 幾何模型

在上述條件基礎(chǔ)上，以WZDGQ-40型真空爐為參考構(gòu)建幾何模型。爐膽內(nèi)采用間距180 mm的均勻分布的高溫鉬帶作為發(fā)熱元件，采用全金屬多層薄板結(jié)構(gòu)隔熱屏，內(nèi)層為3層鉬板，外層為4層不銹鋼板。鉬片厚度和不銹鋼片厚度均為0.5 mm，整個加熱系統(tǒng)是軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。將簡化模型沿前視面顯示1/2，可以清楚看到發(fā)熱帶和隔熱屏的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。隔熱層所用材料的物理性能參數(shù)見表1。

表1 材料的物理性能參數(shù)[7-8]Table 1 Physical properties of the materials[7-8]

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of model structure

2.3 網(wǎng)格劃分

由于隔熱屏都是尺寸較大的薄板，為了降低運算量，定義最小網(wǎng)格單元的尺寸。采用自動網(wǎng)格劃分工具，將模型劃分為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為2 969 040個。

3 結(jié)果分析

3.1 爐內(nèi)溫度場

從圖2的溫度場云圖可以看出，整個溫度場呈環(huán)狀分布，從內(nèi)到外溫度逐漸降低。

圖2 爐膽筒體溫度場云圖Fig.2 Cloud map of temperature field of furnace tube

對每一層隔熱屏溫度場進行分析，對隔熱屏位置進行設(shè)定說明。位置6為爐壁軸線中心位置，位置0和12為兩端外側(cè)，如圖3所示。

圖3 隔熱屏位置點標記圖Fig.3 Marking diagram of position points on the heat shield

金屬隔熱屏共有7層，外面4層為不銹鋼屏，里面3層為鉬屏。將金屬隔熱屏進行編號，從爐壁外到內(nèi)依次命名為a～g，4層不銹鋼屏分別為a、b、c、d層，3層鉬屏分別為e、f、g層，分析1000℃下的隔熱屏保溫效果及溫度規(guī)律，隔熱屏每一個位置的溫度分布如圖4所示。最內(nèi)層屏g靠近發(fā)熱帶，溫度最高，呈現(xiàn)明顯的條紋狀分布，溫度范圍在780～865℃。865℃的溫度帶沿隔熱屏垂直對應(yīng)著發(fā)熱帶的分布位置，同時整體的溫度呈現(xiàn)軸對稱分布。從圖2可知，左右外端溫度最低。由于兩側(cè)是爐膽最外層的支撐壁，從結(jié)構(gòu)上來講，距離爐膽的有效區(qū)較遠，對爐膽的整體性能影響較小，可忽略其影響。屏f由于直接受屏g輻射的影響，屏溫度分布與屏g有明顯的差異。從圖4可知，屏a～f的溫度場的分布有著相同的規(guī)律，沿垂直軸向的中心截面對稱分布的階梯溫度帶。中間溫度帶溫度最高，往兩側(cè)對稱遞減。屏f溫度范圍為640～780℃，屏e溫度范圍為530～730℃，屏d溫度范圍為480～668℃，屏c溫度范圍為450～638℃，屏b的溫度范圍為425～610℃，屏a的溫度范圍為400～595℃。從仿真結(jié)果可知，鉬屏保溫效果取中間值為每層大約80℃，不銹鋼屏保溫效果為每層大約30℃。保溫層存在較大的溫度梯度，越靠近外層，每增加一層隔熱屏的溫度降低越小，隔熱效率越低。

圖4 隔熱屏溫度分布圖Fig.4 Temperature distributions of the heat shields

3.2 調(diào)整發(fā)熱帶寬度

設(shè)定發(fā)熱帶的數(shù)量為5根，發(fā)熱帶的分布區(qū)間保持不變。發(fā)熱帶分布區(qū)間為900 mm，保證發(fā)熱帶分布均勻。發(fā)熱帶寬度分別為64、70和80 mm，穩(wěn)態(tài)下隔熱屏的最外層溫度見圖5，最外層的最高溫度見圖6。

圖5 不同發(fā)熱帶寬度的最外層隔熱屏溫度場Fig.5 Temperature field distributions of the outer layer heat shield with different widths of heating belt

圖6 外層最高溫度與發(fā)熱帶寬度的關(guān)系Fig.6 Relationship between the maximum temperature of the outer layer and the width of the heating belt

保持發(fā)熱帶的溫度不變，發(fā)熱帶寬度為64、70、80 mm時，對應(yīng)的爐膽外壁最高溫度分別為611.5、626.8和649.6℃。發(fā)熱帶寬度增加，增大了向最內(nèi)層鉬屏輻射的表面，爐膽的隔熱屏接收到的能量更多。隔熱屏的保溫效果保持不變，這就導(dǎo)致爐膽外壁的溫度升高。

3.3 調(diào)整發(fā)熱帶的間距

金屬隔熱屏的保溫效果主要看最外層屏的溫度分布情況。在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改變發(fā)熱帶的間距（兩發(fā)熱帶中心點之間的距離），試驗爐膽最外層屏溫度帶的最高溫度。由于中間溫度最高，所以考慮保持其他發(fā)熱帶的間距不變，適當調(diào)整中間兩條發(fā)熱帶的間距分別為180、190、200、210和220 mm，仿真結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯鲎钔鈱悠恋淖罡邷囟确謩e為：595.8、645.2、516.9、591.3和656.5℃。調(diào)整中間兩條發(fā)熱帶中心點間距為200 mm時，保溫效果得到明顯的改善，外屏中間最高溫度比最初設(shè)計降低接近80℃，而且中間溫度帶的寬度更寬，均勻性更好，溫度范圍為491.1～516.9℃。證實了發(fā)熱帶的合理布局對爐膽的保溫效果影響巨大。此外布置發(fā)熱帶的時候還需要綜合考慮其對爐內(nèi)溫度場的影響。

圖7 外層最高溫度與中間兩發(fā)熱帶間距的關(guān)系Fig.7 Relationship between the maximum temperature of the outer layer and the distance of the middle two heating belts

3.4 調(diào)整隔熱屏的厚度

調(diào)整隔熱屏的厚度為0.4 mm，最外層屏的溫度為420～645℃，中間溫度帶為640～645℃，占整個屏寬的13%，565～645℃占比約為52%。調(diào)整隔熱屏厚度為0.6 mm，最外層最高溫度為642℃，中間溫度帶溫度為640～642℃，寬度占比為11%，溫度帶565～642℃，占比為50%。屏厚度調(diào)整到0.7 mm，最外屏的最高溫度為640℃，中間溫度帶為570～640℃占比為50%。厚度調(diào)整到0.8 mm，最外屏中間溫度帶溫度范圍為568～640℃，寬度占比為48%。從以上仿真結(jié)果可以看出，增加隔熱屏厚度并不能明顯提高保溫效果，而且由于鉬板的價格較貴，會增加設(shè)備制造費用。

4 結(jié)論

1）增加隔熱屏的層數(shù)和厚度并不能很好地改善爐膽保溫效果。

2）調(diào)整發(fā)熱帶的寬度和發(fā)熱帶的間距能夠取得良好的保溫效果。中間兩個發(fā)熱帶間距為200 mm時，爐膽保溫效果得到明顯改善。在發(fā)熱帶分布方面進行相關(guān)的研究能夠更好地提高爐膽的保溫性能。